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Verfahren und Schaltungsanordnung zum Synchronisieren zwei oder
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mehrerer räumlich voneinander entfernter digital arbeitender nachrichtentechnischer
Einrichtungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gegenseitigen Rahmen-oder
Blocksynchronisation mindestens zweier räumlich voneinander entfernter über einen
elektrischen Signalweg miteinander verbundener elektronischer Geräte.
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Unter anderem bei digitalen Nachrichtensystemen, die mit blockweiser
Übertragung arbeiten sowie bei Schlüsselgeräten besteht oft das Problem, daß die
Empfangseinrichtung auf die Sendeeinrichtung synchronisiert werden muß bzw. daß
ein für beide Seiten gemeinsamer Startzeitpunkt festgelegt werden muß.
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Ein gebräuchliches Verfahren hierbei ist, daß eine vorbestimmte Bitkombination
auf der Sendeseite erzeugt und übertragen wird, die dann auf der Empfangsseite durch
Korrelation erkannt wird.
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Der Zeitpunkt dieser Erkennung dient dann zur Markierung des Startzeitpunktes.
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Aus der DE-PS 12 96 205 ist ein solches Verfahren bekannt, bei dem
ebenfalls ein Umschalter vorhanden ist. Dieser Umschalter wird aber einfach nach
Abzählen von n BinEl-zahlen bzw. nach Auftreten der ersten von der "Rückstellungszai
bweichenden Binärzahl betätigt, ohne Prüfung, ob auf dem Übertragungsweg Fehler
aufgetreten sind.
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Dieses Verfahren funktioniert sehr gut, solange auf der Ubertragungsstrecke
keine Bitfehler auftreten.
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ei Funkübertragung oder anderen gestörten oder störbaren übertr.lgttr1gswegen
ist aber mit z.T. relativ hohen Bitfehlerraten zu reehrlen. Die Folge davon ist,
daß die übertragene Bitkombination mpfangsseitig nicht mehr sicher entdeckt wird,
wenn ein oder mehrere Bits derselben verfälscht wurden-.
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Man hat sich deshalb schon damit beholfen, die besagte Bitkombination
mit einer systematischen Redundanz zu versehen oder mehrmals zu übertragen, wobei
es dann genügt, nur einen Teil der Mehrfachübertragungen auf der Empfangsseitie
richtig zu erkennen.
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Aber alle diese Verfahren haben den Nachteil, daß ihre gerätemässige
Realisierung relativ aufwendig ist, und/oder daß die auf
dem übertragungsweg
zulässigen Bitfehlerraten doch nur relativ klein sein dürfen. Hierbei spielt auch
das Problem der Simulation einer Synchronisier-Bit-Kombination durch das Rauschen
des übertragungskanals eine Rolle.
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In der digitalen übertragungstechnik sind ferner sogenannte Scrambler
bzw. Descrambler bekannt, die u.a. zur Formung der Spectren der zu übertragenden
Signale bzw. auch zur Verschleierung ihres Nachrichteninhaltes eingesetzt werden.
Hierbei werden die zu übertragenden Digitalsignale sendeseitig durch ein rückgekoppeltes
Schieberegister geschoben. Dessen Ausgangsbitfolge wird dann übertragen und empfangsseitig
in ein vorwärtsgekoppe.ltes Schieberegister geschoben, bei dem dieselben Anzapfungen
verwendet sind wie bei dem sendeseitigen rückgekoppelten Schieberegister. Die Ausgangsfolge
des empfangsseitigen Registers stellt dann wieder die ursprüngliche Bit folge am
Eingang des sendeseitigen Registers dar, sofern auf der übertragungsstrecke keine
Bitfehler aufgetreten sind. Der Nachteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin,
daß eine Fehlervervielfachung auftritt, d.h. daß praktisch jeder auf der Übertragungsstrecke
entstandene Bitfehler mehrere Bit fehler in dem empfangsseitig wiedergewonnenen
Digitalsignal zur Folge hat.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen. Daneben
führt die Erfindung zu besonders einfachen und wenig aufwendigen
Schaltungsanordnungen
zur Lösung der Aufgabenstellungen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen
beschriebenen Verfahren und Schaltungsanordnungen gelöst.
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Die Grundidee sowie die weitere Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend
anhand der Abbildungen'näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 : Beispiel für eine bereits bekannte Scrambler-Descrambler-Anordnung
(Stand der Technik).
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Fig. 2 : Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.
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Fig. 3 u.4: Schaltungsskizzen zur Erläuterung der in den Unteransprüchen
beschriebenen weiteren Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt eine bekannte Scrambler-Dcscrambler-Anordnung. Hierbei
bedeuten 1 und 2 : Schieberegister mit n Stufen 3 : Signaleingang (von der Nachrichtenhuelle)
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: Signalausgang (zur Nachrichtensenke) 5,6,7,8 : Modulo-2-Addierer, deren Eingänge
durch Pfeile markiert sind 9 : Übertragungsweg Das von der Nachrichtenquelle kommende
Digitalsignal 3 wird in einem modulo-2-Addierer 6 zu der modulo-2-Summe aus mehreren
aus dem Schieberegister 1 abgegriffenen Bitfolgen (dargestellt sind nur 2) addiert,
die hieraus entstandene Summe über den Ubertragungsweg 9 übertragen, hier einerseits
dem Eingang eines weiteren Schieberegisters 2, dessen Schiebetakt über eine hier
nicht dargestellte Taktableitung aus dem empfangenen Digitalsignal abgeleitet wird,
und einem Eingang eines modulo-2-Addierers 8 zugeführt, dessen zweitem Eingang die
modulo-2-Summe aus mehreren aus dem Schieberegister 2 angezapften Signalen zugeführt
wird.
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Die Anzapfungen des Schieberegisters 2 und dessen Stufenzahl stimmen
dabei genau mit denjenigen des Schieberegisters 1 überein. Da bei störungsfreier
Übertragung an den Eingängen beider Schieberegister dieselb: Bitfolge eintrifft
und beide Schieberegister identisch aufgebaut und angezapft sind, tritt auch an
den Ausgängen der Modulo-2-Addierer 5 bzw. 7 eine identisch gleiche Bit folge auf.
Zu dem übertragenen Signal wird also in
dem Addierer 8 modulo-2
dieselbe Bitfolge addiert, wie sie schon @n Addierer 6 zu den zu übertragenden Binärsignai
3 addiert Ir<le. Durch die zweite modulo-2-Addition auf der Empfangsseite wir'<i
riun die erste auf der Sendeseite wieder rückgängig gemacht und am Ausgang 4 erscheint
somit wieder die Bitfolge, die dem @@@@@ng 3 zugeführt worden war.
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@@@ Nachteil dieser Schaltungsarordnung ist nun die Fehlerverv@elf@chung.
Ein auf der Übertragungsstrecke 9 aufgetretener @@@fehler erscheint nicht nur über
den modulo-2-Addierer 8 direkt ;m Ausgang, sondern er gelangt auch zum Eingang des
Schieberegister, 2 und wird durch dieses hindurehgescheben. Jedesmal wenn er abtrr
an einer Anzapfung des Schieberegisters 2 vorbeikcmrrt, wird das Ausgangssignal
des modulo-2-Addierers 7 falsch und dao mit tritt am Ausgang 4 ein weiterer Bitfehler
(Folgefehler) auf.
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Insgesamt entstehen so viele Folgefehler, wie Anzapfungen des Schieberegisters
2 verwendet wurden.
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In Fig. 2 ist nun die erfindungegemSPbe Schaltungsanordnung dargestellt.
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Hier bedeuten 11, 12 : Schieberegister mit je n Stufen 13 : Signaleingang
(von der Nachrichtenuelle) 14 : Signalausgang (zur Nachrichtensenke)
15917p22
0 Modulo 2-AddiereP (Eingänge durch P£eAle gekennzeichnet) 19 : übertragungsstrece'
23 : Nulldetektor.
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Der Nachteil der in der Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung (Fehlervervielfachung)
wird dadurch vermieden, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Schieberegister
nicht direkt von der übertragenen Digitalinformation durchlaufen werden. Auf der
Sendeseite ist ein autonom rückgekoppeltes Schieberegister 11, 15 vorgesehen, dessen
Ausgangsbitfolge zu Beginn der Übertragung zwecks Synchronisation der Empfangsseite
über den (elektronischen) Umschalter 21 auf die übertragungsstrecke 19 gegeben wird.
Anstatt in der dargestellten Weise kann die Ausgangsfolge des Schiebergisters auch
an jeder seiner Anzapfungen abgegriffen werden.
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Empfangsseitig wird das übertragene Signal der Nachrichtensenke 14,
einem Eingang eines modUlo-2-Addierers und über einen Kontakt eines Umschalters
24 dem Eingang des Schieberegisters 12 zugeführt, das die identische Stufenzahl
n und dieselben Anzapfungen wie das sendeseitige Schieberegister 11 aufweist. Die
modulo-2-Summe aus den Signalen aus den Anzapfungen des Schieberegisters 12 wird
dem zweiten Eingang des modulo-2-Addierers 22 zugeführt.
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Da bei dieser Schaltungsanordnung, fehlerfreie übertragung vorausgesetzt,
in beide Schieberegister dieselbe Bitfolge hineingeschoben
wird,
weisen beide nach ätestens n Bittakten (n: Zahl der Stufen eines der Register) @@@selben
Inhalt auf und von diesem Zeitpunkt tritt auch den der U13gËngen der beiden modulo-2-Addierer
15 und 17 dieselbe Biti- ge auf.
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In dem modulo-2-Addierer 22 werde also jetzt zwei gleiche ils zusammen
addiert und das Ergebnis dieser Addition ist Summe: eine logische "O". Sobald aber
auf dem Ubertragungsweg (19) sin Bitfehler auftritt, sind die beiden Eingangssignale
des Addierers (22) verschieden und an dessen Ausgang tritt eine logische "1" auf.
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Wenn also mindestens n mal hintereinander am Ausgang des modulo-2-Addierers
22 eine "O" aufgetreten ist, so kann mit hoher Sioherheit darauf geschlossen werden,
daß mindestens die vorangegangenen n Bits richtig übertragen worden sind und damit
der Inhalt des Schieberegisters 12 mit demjenigen des Registers 11 übereinstimmt.
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Es mußten in Wirklichkeit schon insgesamt 2n Bits richtig übertragen
werden, da die Nullfolge am Ausgang des Addierers 22 erst beginnen kann, wenn der
Inhalt des Registers 12 mit demjenigen des Registers 11 übereinstimmt. Aus diesem
Grunde muß die vom Schieberegister 11 übertragene Ausgangsfolge mindestens 2n Bit
lang sein, wenn nicht beide Register aus demselben Grundzustand starten.
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Ein Nulldetektor 23 zählt die Anzahl der am Ausgang des modulo-
2-Addierers
22 aufgetretenen Nullen mitte Wenn diese die Zahl n überschritten hat, gibt dieser
einen Ausgangsimpuls ab, der den Umschalter 24 in der Weise umschaltet, daß jetzt
nicht mehr die empfangene Bitfolge dem Schieberegister 12 zugeführt wird, sondern
die modulo2Summe der Bit folgen aus den Anzapfungen. Damit ist aus dem Schieberegister
12 jetzt ein autonom rückgekoppeltes Schieberegister gewordene das mit dem autonom
rückgekoppelten Schieberegister 11 auf der Sendeseite identisch ist und da die Inhalte
beider Register, wie erlEutert, bei Umlegen des Umschalters 24 identisch gleich
waren liefern sie auch von jetzt ab die identisch gleichen Ausgangsfolgen und ihre
Inhalte stimmen zu jedem Zeitpunkt überein, auch wenn jetzt Bitfehler auf der Ubertragungsstrecke
19 entstehen.
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Um die Sicherheit gegen Simulation eines Startcodewortes durch ein
empfangenes Rauschsignal oder durch eine sehr große Anzahl von Ritfehlern zu erhöhen,
kann die Zahl der Nullen, die der Nulldetektor abzählen muß, bis er den Umschalter
24 betätigt, auch beliebig größer als n gewählt werden.
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Nach erfolgter Synchronisation wird der Umschalter 21 in die andere
Stellung gebrach und anstelle des Ausgangssignals des rückgekoppelten Schieberegisters
11 wird jetzt über den Eingang 13 die eigentliche digitale Nachricht übertragen
und empfangsseitig über den Ausgang 14 der Nachrichtensenke zugeführt.
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Die Tatsache, daß jetzt beide Schieberegister synchron laufen kann
nun in verschiedener Weise ausgenutzt werden, die Fig. 3 und LI zeigen Beispiele
dafür.
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Die Schaltungsanordnung in Fig. 3 stimmt weitgehend mit derjenigen
in Fig. 2 überein, für die entsprechenden Teile sind die entsprechenden Bezeichnungen
übernommen wo.
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Neu hinzugekommen sind: 25 : Einrichtung zur Voreinstellung des sendeseitigen
Schieberegisters 11.
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,ß6,27: Einrichtungen zur Feststellung des Auftretens eines vorgegebenen
Inhalts des oder in einem Teil desjeweils zugeordneten Schieberegisters 11 bzw.
12.
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28 : Modulo-2-Addierer zur wahlweisen Invertierung der Ausgangsfolge
des sendeseitigen Schieberegisters 11 29 : Einsdetektor 30 : Und-Gatter 31 : Ausgangssignal
zur Festlegung des gemeinsamen Start zeitpunktes.
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Sowohl auf der Sendeseite 26 als auch auf der Empfangsseite 27 ist
eine Einrichtung zur Erkennung des Auftretens eines bestimmten Inhalts in zumindest
einen Teil des Schieberegisters 11 bzw. 12 hinzukommen.
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liefern einen Ausgangsimpuls, wenn der vorbestimmte Zustand in dem
zugeordneten Schieberegister auftritt. Da die Inhalte beider Schieberegister 11
bzw. 12 wie oben beschrieben zu jedem Zeitpunkt identisch sind, treten diese Impulse
auf der Sende-und Empfangsseite gleichzeitig auf und können somit zur Rahmensynchronisation
der beiden Geräte verwendet werden. Treten diese Impulse infolge der zu kurzen Periode
der Schieberegisterfolge während der Synchronisierzeit mehrfach auf, soll aber nur
ein einziger gemeinsamer Startzeitpunkt definiert werden, so kann der diesem entsprechende
Ausgangsimpuls der Einrichtung 27 dadurch markiert werden, daß die ausgesendete
Bitfolge zwischen dem Auftreten zweier derartiger Ausgangsimpulse und damit rechtzeitig
vor dem Auftreten des Ausgangsimpulses, der den Startzeitpunkt markieren soll, invertiert
wird. Diese Invertierung kann auf der Sendeseite beispielsweise durch einen zwischen
dem Ausgang des sendeseitigen Schieberegisters 11 und die Übertragungsstrecke eingefügten
Modulo-2-Addierer erfolgen, dessen zweites Eingangssignal 32 zu diesem Zeitpunkt
von "O" auf 1 wechselt. Dies wird durch einen "Einsdetektor" 29 festgestellt, der
mit seinem Eingang parallel zu demjenigen des Nulldetektors 23 angeschlossen ist.
Das Ausgangssignal des Einsdetektors ist mittels einer Und-Schaltung mit dem Ausgangssignal
der Einrichtung 27 verknüpft, so daß das Ausgangssignal dieser Und-Schaltung eindeutig
den Startzeitpunkt definiert. Der Einsdetektor wird zweckmäßigerweise träge bzw.
nach einem Mehrheitsentscheid arbeitend ausgeführt
so d der "O"-"1"-Wechsel
auch erkannt wird, wenn einzelne Bits der übertragenen Bitfolge verfälscht sind.
Somit wird auch bei relativ hohen Bitfehlerraten der Start zeitpunkt mit hoher Sicherheit
erkannt. Dieser Einsdetektor bzw. auch ein dementsprechender träge arbeitender Nulldetektor
kann auch dazu verwendet werden, auch bei relativ hohen Bitfehlerraten auf dem Übertragungsweg
schnell festzustellen, ob eine Einphasinformation übertragen wird oder nicht. Dies
kann bei Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung innerhalb eines Nachrichtensystems
(insbesondere Funksystems), das nach dem Kanalsuchverfahren arbeitet, von grossem
Nutzen sein.
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Besondere Vorteile ergeben sich bei bestimmten Anwendungen des Verfahrens,
wenn die Anzapfungen der Schieberegister nach der Vorschrift von Gold (Inf. Th./EEE,
Bd. 198, 1967, S. 619-621) n gewählt werden. Die Periodenlänge wird dann 2F-1 (die
Stellenzahl n der Schieberegister muß hier gerade sein), es gibt jetzt n aber 2r+1
verschiedene Anfangseinstellungen, deren jede eine völlig andere Ausgangsfolge liefert.
Ein beliebig gewählter Schieberegisterinhalt, der bei einer dieser Folgen auftritt,
erscheint bei keiner der übrigen.
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Diese Eigenschaft läßt sich ausnützen, um eine Adressierung des Empfängers
durchzuführen. Zu diesem Zwecke wird eine der Folgen durch entsprechende Voreinstellung
des sendeseitigen Schieberegisters 11 mittels der Einrichtung (25) ausgewählt und
die Einrichtung
tung zur Feststellung eines bestimmten Inhaltes
im empfangsseitigen Schieberegister einstellbar ausgeführt und so eingestellt, daß
sie auf eine.Bitkombination anspricht, die nur in der gevwünschten Synchronisierfolge
auftritt. Zum Zwecke der Adressierung können auch die Anzapfungen der beiden Schieberegister
11 und 12 durch besondere Schaltmittel veränderbar ausgeführt sein.
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Eine Synchronisierung findet dann nur statt, wenn die Anzapfungen
beim sendeseitigen 11 und beim empfangsseitigen 12 Schieberegister identisch gleich
sind. Da der gemeinsame Startzeitpunkt durch die Sendeseite bestimmt wird und deshalb
hier auch anderweitig bekannt ist, kann hier die Einrichtung 26, zur Erkennung eines
vorgegebenen Zustandes im Schieberegister 11 auch entfallen.
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Eine weitere leichte Modifikation der Erfindung führt zu einer Scrambler-Descrambler-Anordnung,
die keine Fehlerfortpflanzung aufweist.
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Fig. 4 zeigt diese Modifikation, auch hier sind wieder die aus Fig.
2 übernommenen Elemente mit denselben Bezeichnungen versehen wie in Fig. 2. Neu
hinzugekommen ist lediglich ein weiterer modulo-2-Addierer 32, geändert wurde die
Stelle, an der das der Nachrichtensenke zugeführte Digitalsignal 14 abgegriffen
wird.
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Zwecks Einphasung der Schieberegister wird dem Signaleingang vor Beginn
der eigentlichen Informationsübertragung eine Anzahl von Bits zugeführt, zu denen
die Ausgangsfolge des autonom rückgekoppelten Schieberegisters 11 in dem Addierer
32 modulo-2-addiert
wird. Der Einphasvorgang läuft nun auf der
Empfangsseite wie beschrieben ab.
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Anschließend wird dem Eingang 13 die zu übertragende Informationsbitfolge
zugeführt, zu der weiterhin die Ausgangsfolge des sendeseitigen Schieberegisters
11 addiert wird. Da das empfangsseitige Schieberegister genau dieselbe Folge liefert
wie das sendeseitige, wird auf die übertragene Folge empfangsseitig in dem Addierer
22 durch nochmalige Addition die sendeseitige Addition modulo 2 wieder rückgängig
gemacht und am Ausgang des Modulo-2-Addierers tritt wieder die ursprünglich am Eingang
13 eingegebene Bit folge auf, die jetzt der Nachrichtensenke 14 zugeführt wird.
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Selbstverständlich können auch hier alle im Zusammenhang mit Fit.
3 erklärten Zusatzeinrichtungen eingesetzt werden, wie dies in Fig. 4 mit der Einrichtung
25 zur Voreinstellung des sendeseitigen Schieberegisters 11 angedeutet ist. Der
beschriebene Synchronisationsvorgang kann nicht nur zu Beginn einer Übertragung,
sondern auch während natürlicher oder künstlich geschaffener Unterbrechungen im
Nachrichtenfluß 13 durchgeführt werden. Hierdurch wird eine wiederholte Kontrolle
bzw. bei Bedarf auch Wiederherstellung der Synchronisation ermöglicht oder auch
das nachträgliche Einphasen von neu hinzukommenden Empfängern in bereits laufende
Übertragun gen.
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L e e r s e i t e